CARACTERIZAÇÃO E SIMULAÇÃO DO AMBIENTE INDUSTRIAL

Com o objetivo de realizar um estudo de avaliação da comunicação PLC em um ambiente industrial e sua utilização em sistemas de supervisão, em função da dificuldade de encontrar uma empresa aberta para realização de testes de campo, optou-se por simular um ambiente industrial utilizando o Laboratório de Acionamentos Eletroeletrônicos da Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR) do campus de Ponta Grossa. Neste laboratório, foram criados cenários de testes (descrito em detalhes nas próximas Seções) onde foram inseridos gradativamente ruídos característicos deste tipo de ambiente em uma rede elétrica, além de verificar a interferência da indutância presente no canal PLC.

Para a caracterização do ruído, foram utilizados inversores que acionavam motores no laboratório, caracterizando um ambiente industrial de pequeno porte, sob o qual ainda foram adicionados ruídos de iluminação (reatores) e fontes chaveadas de alimentação de diferentes equipamentos de bancada e de informática. A Figura 20 ilustra um diagrama elétrico simplificado da ligação dos dez conjuntos de inversores e motores utilizados nos cenários de ensaios. Para cada par de fonte de ruído motor e inversor, denominamos Bancada (inversor + motor) e atribuiu-se uma numeração de 1 a 10.

Figura 20 - Diagrama elétrico simplificado e ligações efetuadas do acionamento dos motores utilizando inversores de frequência.

Fonte: Autoria própria.

Os inversores de frequência são uma das principais fontes de ruídos em ambientes industriais devido ao chaveamento em alta frequência e geração de suas harmônicas. São dispositivos eletrônicos destinados ao controle da velocidade dos motores elétricos de indução trifásicos e independente da topologia utilizada, o princípio de funcionamento do inversor se baseia em uma tensão CC no circuito intermediário que é transformada em tensão CA para acionar o motor elétrico de indução trifásico (FRANCHI, 2008).

Suas chaves eletrônicas IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor ou, em Português Transistor Bipolar de Porta Isolada) operando com chaveamentos em altas frequências são inevitavelmente fontes de ruído eletromagnético, causando interferências em diversos equipamentos conectados à mesma rede (WINNISCHOFER, 2014).

O inversor de frequência utilizado para realizar o acionamento dos motores foi o Micromaster 420 da Siemens. O Quadro 7 apresenta algumas características desse inversor.

4.3.1 Cenários

Os cenários foram criados com intuito de simular o mais próximo as diversas situações presentes em um ambiente industrial. Esses cenários são descritos em detalhes nas próximas Seções.

Para que fosse possível avaliar esses cenários, foram enviados pacotes de dados de diversos tamanhos, que variam entre os valores de 1, 2, 4, 8, 16, 32 ou 64 Bytes, dependendo da avaliação a ser realizada.

Foram avaliados 3 cenários e suas variações de modulações e tamanho de pacotes, sendo eles: Para avaliação da Interferência dos inversores/motores na qualidade da comunicação PLC; para avaliação da distância entre o modem Emissor/Receptor e a fonte Ruidosa; e, por último, para avaliação da influência da Indutância do cabeamento entre o modem Emissor/Receptor (Tx/Rx) e a fonte Ruidosa. O diagrama unifilar do laboratório onde foram criados os cenários é ilustrado na Figura 21.

Figura 21 - Diagrama unifilar do laboratório onde foram criados os cenários de ensaios.

4.3.1.1 Cenário 1: Avaliação da Interferência dos inversores/motores na qualidade da comunicação PLC

Este cenário foi caracterizado para verificar a interferência dos ruídos causados pelos inversores/motores na comunicação PLC, de forma a verificar se existe alguma diferença entre o ruído estar mais próximo ao modem emissor ou receptor, deste modo foi injetado o ruído de forma sequencial, crescente e decrescente. Na primeira análise, o acionamento das bancadas foi feito de maneira sequencial, não levando em consideração a distância de uma bancada para outra. A primeira bancada ser acionada foi a mais próxima do modem receptor, logo depois seguiu-se a ordem do posicionamento das bancadas localizadas no laboratório até chegar a bancadas mais próxima do modem emissor. O barramento e o posicionamento dos modems utilizados para realizar a comunicação PLC nesse cenário, é ilustrado na Figura 22.

Figura 22 - Ilustração do cenário de ensaio 1.

Fonte: Autoria Própria.

Logo após os experimentos realizados nesse primeiro cenário de ensaios, foi verificado a necessidade de avaliar a interferência do posicionamento entre as bancadas e os modems emissor/receptor, portando foi levantado o diagrama unifilar

do laboratório, apresentado na Figura 21 (pág. 63). Afim de verificar e comprovar a existência da influência na qualidade da comunicação PLC, o posicionamento que os inversores/motores estão dos modems emissor/receptor, então foi criado o modo de acionamento crescente e decrescente.

O modo de acionamento crescente é caracterizado pelo acionamento do primeiro inversor/motor da bancada onde se encontra o modem emissor. Portanto, o acionamento decrescente foi caracterizado pelo acionamento da primeira bancada onde se encontra o modem receptor.

O tamanho do barramento utilizado nesse cenário de ensaios, tem como base a documentação técnica de um dos protocolos mais utilizados na indústria, o AS-Interface. Segundo Siemens (2009), o tamanho máximo do barramento sem que haja necessidade de um repetidor de sinal para esse protocolo é de 100 metros.

Afim de melhorar a compreensão, as distâncias dessas bancadas no modo de acionamento crescente/decrescentes são informadas na Tabela 9. Onde B8 é a bancada onde o modem receptor está conectado e B10 representa a bancada que se encontra conectado o modem emissor.

Tabela 1 - Ordem de acionamento crescente/decrescente e suas respectivas distâncias (em metros) entre as bancadas, a partir da bancada B10 (Emissor).

B8 B7 B6 B4 B3 B2 B1 B5 B9 B10

91,25 77,95 65,95 61,15 59,15 58,25 56,25 39,9 20,60 0 Fonte: Autoria própria.

Ressalta-se que no acionamento sequencial, o modem receptor se localiza- se na bancada 1 e o receptor na bancada 10, e não foi levado em consideração as distâncias entre as bancadas, sendo assim a ordem de acionamento foi bancada (1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10).

4.3.1.2 Cenário 2: Avaliação da distância entre o modem Emissor/Receptor e a fonte Ruidosa

Após os resultados obtidos no primeiro cenário de ensaios, verificou-se a necessidade de avaliar a influência dos ruídos mais próximos ao modem emissor separadamente do modem receptor. Desse modo, nesse cenário em um primeiro momento foi mantido uma distância de 5 metros separando o modem receptor da

fonte ruidosa e a distância que separava o modem emissor da fonte ruidosa foi aumentada gradativamente de 20 em 20 metros esticados. Iniciou-se com uma distância de 20 metros até chegar em 80 metros de distância do modem emissor até a fonte ruidosa.

A mesma avaliação foi feita para o modem receptor, alongando gradativamente a distância do cabo que separa o modem receptor da fonte ruidosa e mantendo a distância de 5 metros do modem emissor até a fonte ruidosa.

Neste cenário, foi possível constatar a interferência dessas distâncias na comunicação PLC, tornando necessário avaliar essa tecnologia em mais um cenário de ensaios, onde o objetivo é avaliar a interferência da indutância na qualidade da comunicação PLC, este cenário é descrito em detalhes na Seção 4.3.1.3. O aumento gradativo da indutância se deu através do aumento da quantidade de cabo entre o emissor ou receptor e a fonte ruidosa. Foi utilizado a equação 5 (pág. 52) para encontrar o valor aproximado da indutância em metros e assim multiplicar pelo tamanho do cabo utilizado em cada experimento. A aplicação da equação 5 (pág. 52) e o desenvolvimento é ilustrado abaixo.

O Gráfico 1 apresenta os valores de indutância em cada experimento realizado, com os diferentes tamanhos de cabos utilizados.

Gráfico 1 - Valor da Indutância com relação ao tamanho do Cabo.

Fonte: Autoria própria.

Desse modo, torna-se razoável verificar o que mais interfere na qualidade da comunicação PLC, no qual pode ser o ruído presente na rede, a distância entre os modems emissor/receptor (Tx/Rx) ou a indutância presente no canal PLC. O cenário de ensaios descrito nesta Seção, é ilustrado na Figura 23.

Figura 23 - Ilustração do cenário de ensaio 2.

Fonte: Autoria própria.

4.3.1.3 Cenário 3: Avaliação da influência da Indutância do cabeamento entre o modem Emissor/Receptor e a fonte Ruidosa

Após verificar que a indutância presente no canal influência na qualidade da comunicação PLC, foram criados 5 diferentes cenários de ensaios para a

comprovação da primeira análise. Do qual, foi criado bobinas com os próprios cabos utilizados nos experimentos do cenário 2, simulando uma situação bem comum em ambiente industrial, onde sobra cabo ao realizar um serviço e afim de evitar emendas futuras o técnico responsável apenas enrola o cabo e os deixa em um canto da indústria, além de ser possível fazer a avaliação da interferência da indutância na qualidade da comunicação PLC, visto que quanto maior a bobina, maior é a indutância característica presente nela.

As bobinas foram enroladas de 5 em 5 metros, com uma circunferência de diâmetro de aproximadamente 20 cm. Em um primeiro momento foi utilizado a menor distância entre os modems emissor/receptor (Tx/Rx) até a fonte ruidosa, nesse caso 20 metros. Após verificar quanto de indutância foi necessário para não ser mais possível a comunicação PLC, foi realizado o mesmo procedimento para a maior distância (80 metros), entre o modem emissor/receptor (Tx/Rx) até a fonte de ruidosa. Este cenário é ilustrado na Figura 24.

Figura 24 - Ilustração do cenário de ensaio 3.

Fonte: Autoria própria.

Para encontrar o valor da indutância da bobina enrolada de 5 em 5, com 20 cm de diâmetro foi utilizada a equação 12.

Aplicando a equação 6 (pág. 52) para obter o valor da indutância presente na bobina de 5 metros, temos:

Aplicando a equação 6 (pág. 52) para obter o valor da indutância presente na bobina de 10 metros, temos:

Aplicando a equação 6 (pág. 52) para obter o valor da indutância presente na bobina de 15 metros, temos:

Aplicando a equação 6 (pág. 52) para obter o valor da indutância presente na bobina de 20 metros, temos:

O Gráfico 2 Ilustra os valores obtidos com relação ao tamanho do cabo enrolado em forma de bobina.

Gráfico 2 - Valor da Indutância com relação ao tamanho do Cabo

Fonte: Autoria própria.

As bobinas criadas nesse cenário foram importantes para simular os cabos enrolados que são bastante presentes em ambientes industriais, além de necessitar de menos cabos para simular a mesma quantidade de indutância presentes em cabos esticados.